“星艦”第四飛創紀錄，迎接更大挑戰_風聞

來源：中國航天報

北京時間6月6日20時50分，美國SpaceX公司研發的“星艦”開展第四次試驗性發射。在此次試飛中，“星艦”表現趨近成熟。代號為B11的“星艦”第一級的33台猛禽發動機中，有一台未點火，但憑藉發動機冗餘設計，未影響正常飛行。隨後，“星艦”兩級成功進行熱分離。代號為S29的“星艦”第二級正常點火飛行，並在起飛47分鐘後再入大氣層。儘管第二級再入過程中隔熱瓦被嚴重燒燬，但“星艦”兩級均按預期濺落海面，使其超越航天飛機，成為史上體積、重量最大的返回式航天器。

本次“星艦”起飛瞬間，從左下方圓點可見第一級有一台發動機未點火

追求回收

再創紀錄

在3月14日第三次試飛中，“星艦”兩級上升段一切正常，第一級進入預定亞軌道，但在落海前陷入失控旋轉，最終墜海解體；第二級應進行3項太空試驗，但在滑行段姿態不穩而異常旋轉，被迫取消太空點火試驗，繞地球飛行約半圈後，再入大氣層，迎風面被粉紅色等離子體包圍，因姿態不穩，導致隔熱瓦無法有效保護箭體，最終失去遙測信號，空中解體。

“星艦”第四次試飛的整體任務架構未變，但測試項目有所調整：相比第三次試飛，刪減了衞星投送艙門開啓、推進劑轉移、離軌點火這3項試驗，新增了拋熱分離環、第二級翻轉、反推落海這3個試飛節點。

“星艦”第一級拋掉熱分離環效果圖

一方面，“星艦”兩級熱分離結束後，第一級拋掉了重達9噸的熱分離環，以便減少回收重量。不過，按照曝光的“星艦”後續設計，未來會配備一體式熱分離結構，因此拋掉熱分離環很可能只是為了提高第一級回收成功率的的權宜之計。

另一方面，之前“星艦”3次試飛中，均計劃讓第二級穿過大氣層後直接高速墜海；第四次試飛卻計劃加上兩項“新動作”：先是讓“星艦”翻轉方向，通過前後兩組翼面的組合動作，從近似水平的再入姿態轉換為垂直姿態，隨後啓動猛禽發動機，進行反推減速，直至距海面數十米處垂直懸停，最終發動機關機，第二級濺落海面。

“星艦”第二級亞軌道試飛時翼面翻轉

其實，這就是“星艦”之前“5射4炸”的萬米高度亞軌道試飛的測試內容，這種翼面翻轉動作也被外界戲稱為“神龍擺尾”。本次發射中，“星艦”第二級經受住再入大氣層考驗，雖雖然部分翼面在再入過程中被燒穿，但翼面依然正常動作，二級正常點火反推落海。

此外，“星艦”兩級均成功定點減速落海，距離由發射台上“大筷子”裝置捕獲回收的目標又近了一步，為將來“星艦”實現完全回收複用奠定了基礎。

試驗推遲

仍存難關

雖然“星艦”第四次試飛的成果可圈可點，但總體進度仍未達到預期，尤其是當務之急的載人登月任務。眾所周知，基於“星艦”第二級研製的載人登月艙將在“阿爾忒彌斯-3”任務中運送航天員登月。為了實現這個目標，SpaceX公司還需設計專門貯存和在軌轉移低温推進劑的“星艦加油站”。這也是“星艦”完成發射-再入-回收循環後面臨的最重大挑戰。

未來兩枚“星艦”第二級在軌加註試驗效果圖

根據最新計劃，真正意義上的“星艦”在軌加註試驗預計到2025年才能實施。屆時，兩枚“星艦”第二級將先後升空，第一枚負責在軌接收推進劑，配備主動對接機構和導航設施，第二枚負責在軌輸出推進劑，裝有被動對接機構。兩者完成在軌對接並傳輸推進劑後，將分別再入大氣層，返回發射場。

“星艦”第三次試飛中，在軌推進劑轉移試驗成功，為2025年試驗項目打下了基礎。但是，針對2025年試驗的多項準備工作，包括對接機構、導航設備、在軌加註用快速脱插口、液氧甲烷推進器等，仍然在研發中。

正所謂“屋漏偏逢連夜雨”，就在“星艦”加緊追趕載人登月任務進度之際，一個重大商業項目被取消。2018年，日本富豪前澤友作與SpaceX公司合作發起商業太空旅遊項目，計劃斥資摺合人民幣超過60億元，希望邀請藝術家、媒體人乘坐“星艦”繞月飛行。然而，最近這個項目正式宣佈無果而終。

外界認為，“星艦”載人發射面臨的主要難點與航天飛機相似：一是缺乏主動逃逸手段，二是再入安全性存疑，尤其是熱防護系統的可靠性未得到有效解決。

隔熱瓦破損脱落是“星艦”面臨的重大困擾

“星艦”第二級擁有約18000塊隔熱瓦，飛行中表面温度會超過1430攝氏度，與航天飛機近似。相比航天飛機採用的多種異形隔熱瓦，“星艦”除翼面轉角和頭錐等部分外，大多數採用了尺寸統一的六角形隔熱瓦，每片隔熱瓦下有3個固定點，中間夾膠，底層掛網，雖然在一定程度上降低了生產、維護壓力，但隔熱瓦在試驗、點火、發射過程中經常破損脱落。

近期，SpaceX公司承認，目前“星艦”項目最棘手的問題是隔熱瓦易破損脱落，可維護性差，即便花費了大量資源，仍未有效解決。在航天飛機的服役生涯中，脆弱、昂貴且難以維護的熱防護系統一直困擾着美國宇航局，採用類似思路的“星艦”看來也未能倖免。本次發射二級再入過程中，從直播畫面就可以看出有部分隔熱瓦已經脱落，但所幸為導致解體。

大膽升級

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展露雄心

經歷4次試飛後，“星艦”基本定型，但目前仍不能稱為“成熟狀態”。為此，SpaceX公司陸續公佈了雄心勃勃的V2版、V3版“星艦”規劃，而當前的“星艦”被稱為V1版。

V2版“星艦”最主要的變化是熱分離結構採用集成化設計，而不是V1版的可拆式結構。此外，V2版第二級稍微拉長，前翼面位置和隔熱瓦分佈均有微調。按計劃，V2版將在V1版剩餘庫存消耗完後投入飛行任務。

至於遠期的V3版“星艦”，改進幅度更大：直徑不變，第一級小幅拉長，第二級大幅拉長增重，全箭高度將從120米增至150米。最關鍵的是，隨着新版本發動機推力持續增加，同時第一級有可能再增加布置2台發動機，促使V3版“星艦”第一級的起飛推力將增至萬噸級別，第二級的真空版發動機從3台增加到6台。值得注意的是，V3版“星艦”兩級的級間比近似1比1，雖然有望使兩級分離高度、速度降低，從而減輕第一級的回收壓力，但第二級的回收難度無疑會增大。

“星艦”當前狀態（左）與未來升級型號對比示意圖

除了“星艦”自身設計迭代外，SpaceX公司還公佈了猛禽發動機的升級計劃：目前使用的第二代猛禽發動機的技術狀態已經比較穩定；第三代猛禽發動機將從V2版“星艦”開始投入使用，其結構高度簡化，很多複雜結構被“隱藏”，比如採用整體冷卻通道壁，同時精簡或集成了部分結構，尤其是某些管路被集成至主泵中。這將使發動機更輕，推力卻更大。不過，缺點是製造難度更大。

總之，經過4次試飛和頻繁改進，“星艦”雖然沒能向近地軌道輸送1克有效載荷，但每次試飛展現的進步都是可圈可點的。可以説，“星艦”距離兩級完全回收的目標僅有“一步之遙”。

不過，“星艦”後續並非“高枕無憂”，預計接下來將進入密集的入軌試射/發射階段，仍有大量技術設計有待驗證，這也是“星艦”融合過多新技術所必須經歷的風險。尤其是大規模低温推進劑在軌加註，技術難度高、跨度大，堪稱“星艦”支持載人登月任務的“必修課”。

從商業角度來講，SpaceX公司對“星艦”的需求更加急迫，載人繞月旅遊項目取消就是“警鐘”。另外，星鏈星座累計發射衞星超過6500顆，早期衞星即將迎來“退役潮”，而功能強大的完整版第二代星鏈衞星急需依靠“星艦”部署。“星艦”既要儘快收回鉅額研發投入，又要加速星鏈星座的補網擴容，壓力之大，不言而喻。好在隨着SpaceX公司加緊建設第二座“星艦”發射台，促使“星艦”回收技術逐漸成熟，後續“星艦”發射頻率有望逐步提升，不排除今年發射有效載荷。